Wie Zellmembranen unser Leben prägen

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Gepostet von Åse Dragland

Das Leben braucht zwei Dinge: eine Membran, die zwischen nichts und etwas unterscheiden kann, und dass dieses „Etwas“ ein reproduktionsfähiger Organismus sein muss.


Vor einiger Zeit haben amerikanische Wissenschaftler ein Protein entwickelt, das sich genauso verhält wie primitive Enzyme, als sich das Leben auf der Erde entwickelte. Dieser Proteinbrocken bestand aus zwei Ketten, die jeweils 31 Aminosäuren enthielten. Den Wissenschaftlern gelang es auch, Membranen herzustellen, die wie ein Teil des Bakteriums geformt sind.

Die Frage ist, ob das Leben auf diese Weise hätte entstehen können; dass genetisches Material versehentlich in einer Membranhülle eingefangen wurde und dass dies zu einer weiteren Evolution führte.

Die Grundlage allen Lebens

Fest steht: Überall in uns und um uns herum finden sich superdünne Membranen – die vielleicht nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) dick sind – als eine Art Wand, die bestimmte Molekülarten durchlässt zu passieren, während andere draußen bleiben. Und sie sind wichtiger und mächtiger, als den meisten von uns bewusst ist.




Am bekanntesten ist das Trommelfell, eine dünne Membran, die das Innenohr schützt und auch durch schallinduzierte Schwingungen in Bewegung gesetzt wird, indem sie Schallwellen in winzige Bewegungen der Innenohrknochen umwandelt; Bewegungen, die wir als Geräusche wahrnehmen.

Auch in der Pflanzenwelt sind organische Membranen unverzichtbar. Die Photosynthese, der Prozess, bei dem Pflanzen das Licht der Sonne nutzen, um CO2 in organische Verbindungen wie Zucker und Sauerstoff umzuwandeln, ist einer der wichtigsten natürlichen Prozesse auf der Erde.
Dies ist ein ausgeklügeltes System mit einem stark regulierten Shuttleverkehr von Ionen und Molekülen, der mehrere Membranen passiert. Es heißt, dass alle höheren Lebensformen tatsächlich innerhalb von 25 Jahren aussterben würden, wenn dieser Prozess nicht mehr stattfindet!“

Gestalten Zellmembranen unser Leben?

In unserem eigenen Körper umgeben Membranen jede einzelne Zelle. Diese Membranen sind so fein, dass sie erst in den späten 1950er Jahren durch die moderne Elektronenmikroskopie entdeckt und bestätigt wurden. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler erst vor kurzem die Rolle von Membranen in unserem Körper entdeckt.


Membranen trennen nicht nur das Innere der Zelle von der äußeren Umgebung, sondern etwas in der Membran selbst trifft wichtige und richtige Entscheidungen darüber, welche Substanzen in die Zelle ein- und austreten können. Die Membran behandelt verschiedene Moleküle einfach unterschiedlich: Giftige oder unnötige Stoffe dürfen nicht eindringen.

Der Zellbiologe Bruce Lipton, der sowohl an den medizinischen Fakultäten der University of Wisconsin als auch der Stanford University gelehrt hat, hat seine gesamte Karriere in der Forschung der Zellmembranen gewidmet.

Er behauptet kontrovers genug, dass Membranen und nicht Gene unser Leben prägen. In der Membran steckt die aktive Intelligenz der Zelle. Die Membran empfängt Signale aus der Umgebung der Zelle, je nachdem, welche Moleküle sich an der Membranwand anlagern; es interpretiert die Signale und sagt der Zelle, was zu tun ist; und diese Signale erzeugen wir größtenteils selbst durch Stress, Ernährung und Gefühle, behauptet Lipton.

Vom Menschen geschaffene Membranen


Wir selbst haben gelernt, die fantastischen Membranen der Pflanzen- und Tierwelt für unsere Zwecke zu simulieren.

Anorganische Membranen liegen unter den Fliesen unseres Badezimmerbodens, filtern Bakterien aus unserem Trinkwasser und finden sich in industriellen Brennstoffzellen wieder. Membranen werden in Strukturen verwendet, die Wasserdruck standhalten müssen. Sie werden in Gärten, unter Straßen und in allen Arten von Teichen und Stauseen verwendet.

Energie und Klima

SINTEF-WissenschaftlerRune BredesenundThorleif Holtarbeiten seit mehreren Jahren an Membranen. Der eine forscht am Einsatz von Membranen zur Verbesserung der Effizienz der CO2-Wäsche, der andere an Membranen als Basis für die salzhaltige Stromerzeugung.

In Hurum bei Oslo wurde im vergangenen Jahr der weltweit erste Prototyp eines Salzwasserkraftwerks gebaut. Es mischt Süß- und Meerwasser durch Membranen und ist in der Lage, durch Osmose Energie zu gewinnen. In ganz Europa und in den USA setzen Wissenschaftlerteams Membranen in Salzkraftwerken ein. Eine der Aufgaben von SINTEF ist es, die optimale Membran für die Anlage in Hurum mitzuentwickeln. Thorleif Holt und seine Kollegen haben Hunderte von Kandidaten getestet, sind aber noch nicht am Ziel.

Welche Rolle spielt die Membran in einem Salzkraftwerk?

„Es funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie in einer Tierzelle; bestimmte Stoffe dürfen sie passieren, andere nicht. Süß- und Salzwasser werden in denselben Tank gefüllt, nur durch eine Membran getrennt. Es liegt in der Natur des Süßwassers, sich durch die Membran zu drängen, um das Salzwasser zu verdünnen, was den Druck im Salzwasserbereich des Tanks erhöht. Das Süßwasser passiert die Membran, das Salzwasser jedoch nicht.“

Holt und seine Kollegen haben sich vor allem auf Folienmembranen konzentriert. Aber die Schichten müssen dünner und poröser gemacht werden, und es ist wichtig, dass das Wasser sie durchdringen kann. Gleichzeitig müssen sie stark sein.

Membranen für eine sauberere Welt

Währenddessen arbeiten Rune Bredesen und sein Wissenschaftlerteam an Materialien, die CO2 einfangen sollen. In einem Bereich, der derzeit als eines der wichtigsten Themen der angewandten Wissenschaft gilt, sind Membranen ein wesentlicher Bestandteil des Bildes.

Die Welt ist knapp an Energie und eine Methode zur Stromerzeugung ist die Verbrennung von Erdgas. Das Problem ist, dass bei der Verbrennung von Erdgas der Kohlenstoff im Gas mit dem Sauerstoff in der Luft zu CO2 reagiert, das nicht in die Atmosphäre abgegeben werden sollte.

In der aktuellen Debatte um Erdgaskraftwerke geht es darum, wie wir die Kosten der CO2-Abscheidung so weit senken können, dass sich der Einsatz dieser Technik lohnt. Sowohl Bredesen als auch seine Kollegen von der Universität Oslo und NTNU versuchen, dafür den günstigsten und besten Weg zu finden. Das bedeutet, dass der Gaswäscheprozess nicht zu viel Energie verbrauchen darf.

„Es gibt viele Möglichkeiten, Gase zu waschen“, sagt Bredesen. Wir bemühen uns sehr, CO2 zu entfernen, bevor das Gas im Kraftwerk verbrannt wird; dies wird als „Pre-Combustion-Technologie“ bezeichnet. Erdgas oder Kohle werden in Wasserstoff und CO2 umgewandelt. Wir verwenden dann Membranen, um die beiden Gase zu trennen. Wenn wir den brennbaren Wasserstoff abgeschieden haben, bleibt CO2 übrig, das leichter zu handhaben und zu speichern ist. Den Wasserstoff nutzen wir als Treibstoff für die Stromerzeugung.“

Die Wasserstoffmembran von SINTEF schien die günstigste und effizienteste CO2-Abscheidung in einem EU-Projekt zur CO2-Abscheidung zu bieten, an dem 24 Partner teilnahmen und vier verschiedene Technologien hinsichtlich Kosten und Effizienz bewertet und verglichen wurden.
Nun wollen die Wissenschaftler die Technik skalieren, denn für ein Gaskraftwerk werden mehrere tausend Quadratmeter Membranen benötigt.

Können Biomembranen die globale Erwärmung bekämpfen?

Aber kann die Menschheit den Kreislauf und die Bedingungen, unter denen das Leben existiert, tatsächlich kontrollieren?

Ja, glaubt das norwegische Unternehmen Albedo Technology International, das behauptet, dass seine spezielle Reflektormembran dazu beitragen könnte, die Temperatur der Erdoberfläche zu kontrollieren.

Zwischen 2007 und 2009 führte das Unternehmen eine Reihe von Tests in der Wüste Sahara durch, wo es sein Produkt auf den Boden sprühte, um einen reflektierenden Film zu erzeugen, der die Oberflächentemperatur um 45 Grad Celsius senkte. Auf einem eine Million Quadratmeter großen Testfeld in Marokko testete das Unternehmen mehrere Versionen seines Produkts, und Klimawissenschaftler des norwegischen Klimaforschungszentrums Cicero bestätigen, dass die Biomembran großes Potenzial hat, wenn sie auf großen Flächen lange an Ort und Stelle gehalten werden kann Zeiträume.

Das Unternehmen startet nun ein paralleles Forschungsprojekt in der Wüste von Arizona in den USA, das dokumentiert, welche Veränderungen sich abspielen, wenn große Energiemengen von der Erdoberfläche ins All zurückreflektiert werden.

Es bleibt abzuwarten, ob die Bio-Membran wahr wird. Auf jeden Fall können wir uns fragen, ob die „ursprünglichen“ biologischen Membranen im Zuge ihrer treuen täglichen Bemühungen, unseren Körper und das Leben auf der Erde im Allgemeinen am Laufen zu halten, noch immer die fortschrittlichsten verfügbaren Systeme sind.

Abbildung: Das Trommelfell liegt im Gehörgang. Das Membransystem lenkt winzige Härchen in den Zellen der Cochlea im Innenohr ab, die es uns ermöglichen, Geräusche zu hören. Bildnachweis: Line Halsnes

Åse Dragland ist Redakteurin des Magazins GEMINI und seit 20 Jahren Wissenschaftsjournalistin. Sie wurde an den Universitäten in Tromsø und Trondheim ausgebildet, wo sie nordische Literatur, Pädagogik und Sozialwissenschaften studierte.